樓宇冷機(jī)站運(yùn)行管理軟件控制系統(tǒng)節(jié)能應(yīng)用研究

上海宸新節(jié)能科技有限公司 何培新

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本案例的甲級(jí)智能商務(wù)樓宇位于陸家嘴地區(qū)，總建筑面積約60,000m2，其中商業(yè)建筑面積約5,500m2，辦公層建筑面積39,500m2。其冷機(jī)站由2臺(tái)York離心式冷機(jī)、1臺(tái)York螺桿式冷機(jī)、一臺(tái)板式交換器、5臺(tái)冷卻塔、4臺(tái)定速冷凍水泵、以及5臺(tái)冷卻水泵組成。冷機(jī)站采用兩管制一次泵設(shè)計(jì)方案，閥門(mén)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，但系統(tǒng)不能顯示冷凍水、冷卻水流量的數(shù)據(jù)。

冷機(jī)站采用常規(guī)BA管理系統(tǒng)軟件，原有設(shè)備的控制信號(hào)接入York的DDC(直接數(shù)字控制器)。并以自動(dòng)或手動(dòng)方式遠(yuǎn)程控制各設(shè)備的運(yùn)行狀況。冷機(jī)站控制系統(tǒng)可將部分運(yùn)行參數(shù)送往大樓的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)(Honeywell的EBI)，進(jìn)行顯示。

冷機(jī)站每年的運(yùn)行費(fèi)用約為100萬(wàn)元，運(yùn)行時(shí)間為5月到10月，主要在辦公時(shí)間為大樓的辦公建筑提供冷源。

2 項(xiàng)目改造的預(yù)期效果

由于該系統(tǒng)在原設(shè)計(jì)中已經(jīng)比較精確地計(jì)算了建筑所需要的冷熱量，系統(tǒng)的運(yùn)行也已經(jīng)處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，如在硬件上對(duì)設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改造，效果并不顯著。經(jīng)過(guò)綜合考慮和評(píng)估，我們認(rèn)為，在冷機(jī)站上使用霍尼韋爾（Honeywell）軟件系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“先進(jìn)控制系統(tǒng)），可以提高冷機(jī)站的高效運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能的目的。根據(jù)目前的使用情況，現(xiàn)階段暫不考慮使用水泵變頻裝置。但在管道上留有接口，待系統(tǒng)投入使用一段時(shí)間后，根據(jù)實(shí)際使用情況，再作出是否需要變頻改造的評(píng)估。

通過(guò)本項(xiàng)目的技術(shù)改造，可以最大化地利用冷機(jī)站的現(xiàn)有設(shè)備；提高冷機(jī)站安全、自動(dòng)、高效的運(yùn)行水平；達(dá)到按用戶側(cè)的需要?jiǎng)討B(tài)生產(chǎn)冷量的目的；實(shí)時(shí)收集冷機(jī)站運(yùn)行數(shù)據(jù)；掌握系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)信息；實(shí)現(xiàn)冷機(jī)站運(yùn)行能耗較降低10%以上的節(jié)能目標(biāo)。

3 項(xiàng)目實(shí)施方案

為了實(shí)現(xiàn)上述節(jié)能目標(biāo)，冷機(jī)站在原有的常規(guī)BA軟件控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，安裝了霍尼韋爾（Honeywell）先進(jìn)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)需求側(cè)信息，輔助計(jì)算當(dāng)前運(yùn)行負(fù)荷水平和趨勢(shì)，采用仿真手段動(dòng)態(tài)模擬冷機(jī)站各部分的工作狀況和性能，并在此基礎(chǔ)上采用動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)，在兼顧各種因素的同時(shí)，生成最安全、經(jīng)濟(jì)的冷機(jī)站運(yùn)行方案。

3.1 先進(jìn)控制系統(tǒng)硬件設(shè)備

為完成先進(jìn)控制系統(tǒng)的工作指令，系統(tǒng)安裝了有關(guān)電器設(shè)備，詳見(jiàn)表1。

3.2 冷機(jī)站設(shè)備及控制系統(tǒng)

根據(jù)先進(jìn)控制系統(tǒng)的工作要求，在冷機(jī)站的工作室內(nèi)安裝控制柜，控制柜內(nèi)設(shè)有輸入輸出模塊以及控制器。通過(guò)輸入輸出模塊，冷機(jī)站的冷機(jī)、水泵等所有設(shè)備的控制和測(cè)量信號(hào)都接入控制器，控制器將各種數(shù)據(jù)送往冷機(jī)站先進(jìn)控制系統(tǒng)工作站，并接受它發(fā)出的控制指令（遠(yuǎn)程控制模式下），通過(guò)輸入輸出模塊送往各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。冷機(jī)站的運(yùn)行原理見(jiàn)圖1。

4 冷機(jī)站配置先進(jìn)控制系統(tǒng)

4.1 冷機(jī)站運(yùn)行管理系統(tǒng)工作原理

冷機(jī)站運(yùn)行管理軟件系統(tǒng)由兩部分組成，常規(guī)BA系統(tǒng)和Honeywell先進(jìn)控制系統(tǒng)。設(shè)備的開(kāi)啟、關(guān)停和水溫的設(shè)定等信息先輸入常規(guī)BA系統(tǒng)，再送入Honeywell先進(jìn)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)將這些信號(hào)與有關(guān)信息進(jìn)行優(yōu)化整合，生成高效的運(yùn)行方案。

表1 先進(jìn)控制系統(tǒng)電器設(shè)備一覽表

先進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)有兩個(gè)模塊：應(yīng)用支撐平臺(tái)以及優(yōu)化控制模塊。前者主要負(fù)責(zé)與冷機(jī)站控制系統(tǒng)的雙向通訊，后者主要完成動(dòng)態(tài)運(yùn)行優(yōu)化。在運(yùn)行過(guò)程中，由控制系統(tǒng)從各設(shè)備實(shí)時(shí)采集運(yùn)行數(shù)據(jù)送往應(yīng)用支撐平臺(tái)，經(jīng)過(guò)平臺(tái)處理的數(shù)據(jù)再被送往優(yōu)化控制模塊，在這模塊區(qū)域，運(yùn)行數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化成性能信號(hào)和負(fù)荷數(shù)據(jù)，而優(yōu)化控制模塊的優(yōu)化引擎以5分鐘的間隔，采集和參考有關(guān)數(shù)據(jù)，生成2小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的優(yōu)化運(yùn)行方案。這些數(shù)據(jù)信號(hào)再轉(zhuǎn)化成各種設(shè)備的控制命令，下傳至冷機(jī)站的各硬件設(shè)備。冷機(jī)站運(yùn)行管理軟件系統(tǒng)工作原理見(jiàn)圖2。

4.2 先進(jìn)控制系統(tǒng)工作原理

影響冷機(jī)站工作的可變因素諸多，負(fù)荷、能源價(jià)格、蓄冷與釋冷、設(shè)備性能等因素時(shí)刻影響能源的消耗。只有在未來(lái)一個(gè)時(shí)間段內(nèi)充分考慮這些因素的變化，才能保證冷機(jī)站在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)總的運(yùn)行效率最優(yōu)、成本最低。為此，先進(jìn)控制系統(tǒng)采用了動(dòng)態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)技術(shù)，在動(dòng)態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)中的優(yōu)化引擎能夠綜合考慮各種時(shí)變因素，根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行負(fù)荷及變化趨勢(shì)、設(shè)備的性能、能源的價(jià)格、用戶節(jié)能要求、設(shè)備維護(hù)計(jì)劃、系統(tǒng)的蓄冷等情況進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得初始運(yùn)行方案。動(dòng)態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)工作原理見(jiàn)圖3。

先進(jìn)控制系統(tǒng)的優(yōu)化能力是由優(yōu)化引擎和與其相密切配合的模擬仿真系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的。首先，能夠求解復(fù)雜問(wèn)題的優(yōu)化引擎“設(shè)計(jì)”出初始運(yùn)行方案（涉及2小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)各設(shè)備的啟停和工作點(diǎn)），送到具有自適應(yīng)能力的模擬仿真系統(tǒng)，處理該方案下冷機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗、輸出功率、水系統(tǒng)的溫度和流量變化以及末端的溫度變化，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果“改進(jìn)”初始方案，再送到仿真系統(tǒng)。周而復(fù)始，直至獲得最佳運(yùn)行方案。優(yōu)化原理詳見(jiàn)圖4。

仿真系統(tǒng)中的模型由靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型組成，前者主要描述設(shè)備在各種工況條件下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的性能，后者主要描述各種因素與水溫或室溫變化率間的關(guān)系。冷凍水系統(tǒng)和建筑物本身也具有蓄熱/冷效應(yīng)（當(dāng)制冷開(kāi)始時(shí)，冷凍水水溫逐漸降低、而建筑物各處的溫度則以更緩慢的速度降低），只用靜態(tài)特性的模型技術(shù)是無(wú)法準(zhǔn)確模擬和預(yù)測(cè)運(yùn)行的情況，而全部采用動(dòng)態(tài)模型會(huì)大大增加計(jì)算負(fù)擔(dān)。采用靜態(tài)為主，動(dòng)態(tài)為輔的系統(tǒng)模型可以緩解這一矛盾。

無(wú)論是靜態(tài)模型還是動(dòng)態(tài)模型都是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)方法建立的。由于主要設(shè)備（冷機(jī)、冷卻塔、水泵等）的性能以及末端對(duì)制冷/熱的反應(yīng)特性會(huì)隨著時(shí)間、環(huán)境、和維護(hù)水平的不同而發(fā)生變化，而一成不變的模型不能反映這些變化并可能導(dǎo)致無(wú)效或不可靠的優(yōu)化結(jié)果，所以仿真系統(tǒng)采用自適應(yīng)機(jī)制緩解這一問(wèn)題。它在空閑時(shí)將最新的運(yùn)行數(shù)據(jù)加入訓(xùn)練樣本（當(dāng)數(shù)據(jù)集合過(guò)大時(shí)，最舊的訓(xùn)練數(shù)據(jù)將被剔除）然后重新建立相關(guān)模型。這種機(jī)制加上冷機(jī)和末端本身漸進(jìn)式變化為主的特性，仿真系統(tǒng)中包含的模型能夠?qū)?yīng)側(cè)和需求側(cè)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行較高精度的模擬仿真。圖5比較了某冷機(jī)COP的實(shí)際值和模擬值間的差別。

冷機(jī)站工作在一個(gè)充滿時(shí)變因素（負(fù)荷、能源價(jià)格、蓄冷與釋冷、設(shè)備性能等）的環(huán)境中，只有充分考慮未來(lái)一個(gè)時(shí)間段內(nèi)這些因素的變化才能保證冷機(jī)站在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)總的運(yùn)行效率最優(yōu)、成本最低。為此冷機(jī)站先進(jìn)控制系統(tǒng)采用了動(dòng)態(tài)優(yōu)化引擎（常用的動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法包括二次規(guī)劃、分支定界方法等）綜合考慮各種時(shí)變因素從而獲得最優(yōu)運(yùn)行方案。下面表2從4個(gè)方面對(duì)比了動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)和靜態(tài)優(yōu)化技術(shù)的優(yōu)劣。圖6介紹了兩種技術(shù)的工作范圍。

4.3 改造后的冷機(jī)站主要功能

通過(guò)以上先進(jìn)控制系統(tǒng)工作原理的介紹，不難看出,裝有該系統(tǒng)的冷機(jī)站將有表3所示功能。

由于原理上的不同，先進(jìn)控制系統(tǒng)與常規(guī)控制系統(tǒng)存在較多差異，表4總結(jié)了這些差異的不同點(diǎn)。

5 先進(jìn)控制系統(tǒng)節(jié)能特點(diǎn)

表2 動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)和靜態(tài)優(yōu)化技術(shù)對(duì)比

○ 按需供應(yīng)。先控系統(tǒng)能夠參考需求側(cè)的溫度分布估計(jì)當(dāng)前負(fù)荷需求，同時(shí)根據(jù)大氣溫濕度、時(shí)間等條件,通過(guò)檢索歷史數(shù)據(jù)獲得負(fù)荷的變化趨勢(shì)。按照實(shí)際需求安排冷量的生產(chǎn)，可以避免過(guò)量供應(yīng)造成的浪費(fèi)。

○高效運(yùn)行。先進(jìn)控制系統(tǒng)在變化的環(huán)境中能夠根據(jù)外界情況、設(shè)備性能、以及冷機(jī)站整體性能，通過(guò)優(yōu)先選擇高效率的子系統(tǒng)或設(shè)備，盡量使系統(tǒng)工作在最優(yōu)區(qū)域，以最經(jīng)濟(jì)的方式生產(chǎn)所需的冷、熱量。

○智能管理。由于使用了優(yōu)化引擎和模擬仿真技術(shù)，先進(jìn)控制系統(tǒng)能夠合理利用電價(jià)的變動(dòng)、冷機(jī)站的蓄冷能力、建筑物和循環(huán)水系統(tǒng)的蓄冷特性，延長(zhǎng)系統(tǒng)在最優(yōu)效率區(qū)間或者低電價(jià)時(shí)段的工作時(shí)間。

表3 冷機(jī)站主要功能一覽表

表4 先進(jìn)控制系統(tǒng)與常規(guī)控制系統(tǒng)比較表

6 結(jié)語(yǔ)

樓宇節(jié)能改造項(xiàng)目可供選擇的技術(shù)途徑不少,可從硬件設(shè)備的技術(shù)改造做起，也可從軟件控制系統(tǒng)入手。多數(shù)節(jié)能服務(wù)公司可能更注重前者，而我公司努力探索后者的技術(shù)應(yīng)用研究。在項(xiàng)目的改造中保留原有的硬件設(shè)備，通過(guò)先進(jìn)控制系統(tǒng)的運(yùn)用，提高系統(tǒng)的節(jié)能效率。希望本案例的節(jié)能方式能為同行帶來(lái)一定的啟示。